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So wählen Sie die richtigen Steckverbinder für Ihr Jet-Pack aus – und für weitere Designs!

Haben Sie schon einmal einen Film angesehen und sich die Frage gestellt: „Könnte ich das auch?“ So ging es Richard Browning, als er Tony Stark als Iron Man sah. In diesem Moment traf er die Entscheidung, einen Fluganzug zu entwickeln.

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Abb. 1: Richard Browning fliegt im Daedalus-Anzug

In der Vergangenheit hat es zahlreiche Experimente mit Jet-Packs gegeben. 1965 sah das weltweite Publikum James Bond in „Thunderball“ ein Jet-Pack fliegen. Der Jet-Pack mit der Bezeichnung „Bell Rocket Belt“ war das voll funktionsfähige Ergebnis eines entsprechenden Programms der US-Armee zur Verbesserung der Mobilität auf dem Schlachtfeld. Die 19 Liter Wasserstoffperoxid ermöglichten jedoch nur eine Flugdauer von 21 Sekunden. Die Armee entschied daher, die Forschungsmittel für sinnvollere Projekte auszugeben.

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Abb. 2: James Bond (Sean Connery) mit dem Bell Jet Belt im Jahr 1965
(Bildquelle: http://jamesbond.wikia.com)

In jüngerer Zeit hat es mehrere Versuche gegeben, Jet-Packs zu revolutionieren. Wenn Sie „personal jet pack“ in eine Internet-Suchmaschine eingeben, werden Sie mehrere Unternehmen finden, die derartige Geräte verkaufen. Richard Browning ist einen anderen Weg gegangen und wollte probieren, ob er einen eigenen Jet-Pack entwickeln kann.

Dabei kann er auf 50 Jahre Forschung und Entwicklung in den Bereichen Motoren, Kraftstoffe, Steuerung/Regelung und Elektronik zurückgreifen. Moderne miniaturisierte Strahltriebwerke bieten einen bemerkenswerten Schub, wenn man bedenkt, dass sie nicht viel größer als eine große Dose Bohnen sind (und wesentlich sicherere Treibstoffe als Wasserstoffperoxid nutzen!). Angesichts der Rechenleistung von Rechnern der Größe eines Raspberry Pi sollte es nicht überraschen, dass die Steuerung dieser neuen Triebwerkgeneration ebenfalls einfacher geworden ist. Das wäre im Jahr 1965 noch Science Fiction gewesen.

Aber wo beginnen?

Wenn Sie sich heutzutage die Frage „Wo fange ich an?“ stellen, stehen hinsichtlich der Triebwerke und der Steuerung durchaus praktikable Lösungen zur Verfügung. Der schwierigste Teil des Projekts ist die Integration in ein einziges funktionales Gerät.

Die Triebwerke müssen mit der Treibstoffquelle verbunden werden. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle, das Display und die Sensoreinrichtungen müssen sowohl untereinander Informationen austauschen als auch mit dem zentralen elektronischen Gehirn, das alles steuert.

Jetzt wird wahrscheinlich deutlich, dass Systeme dieser Komplexität mit weiteren Komponenten vollgepackt sind, die zwar nicht so aufregend, für die Funktion des Geräts aber genauso wichtig wie die Triebwerke sind.

Wie wählen wir die Produkte für den Daedalus-Anzug aus? Wir werden uns einige der Steckverbinder und Kabel ansehen, die Richard Browning benötigt, und erläutern, wie mithilfe der RS-Website geeignete Komponenten ausgewählt werden können. Wegen der Fülle von Typen, Anwendungen und Fähigkeiten kommt es gerade bei Kabeln und Steckverbindern darauf an, die Übersicht zu wahren. Das Daedalus-Projekt mag zwar etwas ungewöhnlich sein, unser Ansatz für die Auswahl der Produkte ist aber ebenso für alltäglichere Situationen geeignet.

Definition der Aufgabe

Zunächst muss die Aufgabe definiert werden, die unser Produkt erfüllen soll. Für Steckverbinder und Kabel stellt sich eine ähnliche Frage: Wie viele Leiter werden benötigt, welche Ströme und Spannungen werden übertragen, ist eine Abschirmung erforderlich? In den meisten Fällen haben die Antworten auf diese Fragen Einfluss auf die Produktgesamtabmessungen.

Anschließend müssen die Bedingungen betrachtet werden, unter denen die Produkte betrieben werden müssen. Die häufigste Frage ist, ob die Produkte Wasser bzw. dem Wetter ausgesetzt sind, und daraus abgeleitet, ob sie wasserdicht sein müssen. Faktoren können aber auch Vibrationen und Stöße und manchmal die Exposition gegenüber anderen Stoffen als normales Wasser sein. Die Kombination aus den Antworten auf diese Fragen bestimmt die konstruktive Gestaltung des Steckverbinders bzw. Kabels und außerdem die Materialien, aus denen dieser/dieses hergestellt sein muss.

Schließlich muss bestimmt werden, ob es besondere Anforderungen gibt, die Einfluss auf die Produktauswahl haben. Wird das Produkt häufig gehandhabt oder handelt es sich um eine Anwendung, die nach der Installation nie wieder angefasst wird? Muss das Produkt besonders leicht sein? Sollte das Produkt zur einfacheren Verwendung farbcodiert sein? Die Anwendung sollte die Antworten auf diese (und viele weitere) Fragen ziemlich offensichtlich machen. Es ist jedoch immer sinnvoll, etwas Zeit für die Berücksichtigung unerwarteter Möglichkeiten zu investieren.

Auswahl von Steckverbindern für besondere Verwendungen

Wir wollen hier eine hypothetische Situation betrachten. Ein Kunde sucht einen Steckverbinder, der für eine Anwendung an Deck eines Schiffs verwendet werden kann. Das Design erfordert einen ungeschirmten Stromkreis mit drei Leitern, die für eine Spannung von 5 V und einen Strom von 0,5 A ausgelegt sein müssen – also keineswegs Extremwerte. Somit wäre ein kleiner Steckverbinder die ideale Lösung. Der Steckverbinder wird während der Errichtung des Schiffs installiert und nur bei größeren Überholungen getrennt. Die raue Meeresumgebung mit Salzwasser und Sonnenlicht (und somit UV-Strahlung) ist allerdings ein ständiges Problem.

In diesem Beispiel benötigen wir einen wasserdichten und witterungsbeständigen Steckverbinder. Da der Steckverbinder nicht geschirmt sein muss, kommt ein Kunststoffgehäuse in Betracht. Da manche Kunststoffe durch UV-Strahlung beeinträchtigt werden können, könnte Metall die bessere Wahl sein. Verschiedene Arten von Metall, insbesondere Aluminium, werden jedoch von Salzwasser angegriffen. Als Alternative kommt Edelstahl in Frage, das korrosionsbeständig ist. Da Edelstahl sehr hart ist, lässt es sich schwer bearbeiten und ist daher relativ teuer. Mit etwas Recherche lässt sich eine Alternative finden – die Legierung Nickel-Aluminiumbronze.

Nickel-Aluminiumbronze ist ein goldfarbenes Metall mit sehr hoher Dichte. Es bietet hervorragende Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung und Salzwasserkorrosion. Die Kupferkomponente bietet den zusätzlichen Vorteil, dass der Besiedlung mit Meeresorganismen (Algen, Muscheln und Flechten) entgegengewirkt wird. Durch die hohe Dichte ist dieses Material sehr schwer, was aber bei Anwendungen im Bereich Schifffahrt selten problematisch ist.

Wie Sie sehen, geht es bei der Produktauswahl oft um die Abwägung einer Reihe von Kompromissen und die Bestimmung der wirklich wichtigen Eigenschaften. In diesem Fall ist die Korrosionsbeständigkeit wichtiger als Gewichtseinsparung, daher ist Nickel-Aluminiumbronze die richtige Wahl.

Steckverbinderauswahl für den Daedalus-Anzug

Da der Daedalus-Anzug Richard Browning mit einer Reihe von Problemen konfrontierte, bat er uns um Hilfe. An den Armen sind jeweils ein Triebwerkpaar und einige Handbedienelemente montiert. Unter seinem Zeigefinger befindet sich ein Trigger für die Steuerung des Triebwerkschubs. Dieser Trigger ist kein einfacher Ein/Aus-Schalter, sondern muss eine sehr genaue Leistungssteuerung ermöglichen. Gemeinsam mit weiteren Bedienelementen müssen die beiden Handgriffe mit der im Rucksack untergebrachten Elektronik verbunden werden. Jede Verbindung erfordert fünf Leiter, die jeweils nur Signalströme mit geringen Spannungen führen.

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Abb. 3: Richard Browning im Daedalus-Anzug. Unter seinem rechten Zeigefinger befindet sich der Gashebel und im oberen Bereich der Triebwerke sind verschiedene Drähte und Treibstoffleitungen zu sehen.

An diese Anwendung werden zahlreiche Anforderungen gestellt. Da das Kabel durch den Ärmel des Fluganzugs bis zur Hand geführt wird, muss es flexibel sein und auch über die gesamte Lebensdauer hinweg bleiben. Am Handgriff muss ein Steckverbinder für das Kabel vorhanden sein, der jederzeit entfernt werden kann. Obwohl das Endziel von Richard Browning vorsieht, dass der Anzug so verfeinert wird, dass er problemlos an- und abgelegt werden kann, sieht die Realität des aktuellen Designs so aus, dass der Steckverbinder bei jedem Anlegen des Anzugs getrennt werden muss.

Der Steckverbinder muss daher robust sein und eine hohe Lebenserwartung haben. Die Wasserdichtheit ist allerdings keine entscheidende Voraussetzung. Es wäre praktisch, wenn der Steckverbinder einen Schnellverschluss hätte, er muss aber gleichzeitig vibrationsbeständig sein, damit eine sichere Verbindung gewährleistet ist, wenn der Anzug verwendet wird. Schließlich sollten alle ausgewählten Komponenten so leicht wie möglich sein, damit der Daedalus-Anzug möglichst wenig Schubkraft für die Beförderung von Richard Browning mitsamt dem Anzugsgewicht aufbringen muss.

Zuerst die Kabel, dann die Steckverbinder

Meiner Erfahrung nach ist es einfacher, zuerst die Kabel und anschließend die entsprechenden Steckverbinder auszuwählen, als umgekehrt. In diesem Sinne begann ich, nach hochflexiblen Kabeln zu suchen und entschied mich für eine Kabelfamilie von Alpha Wire mit der Bezeichnung XTRA-GUARD FLEX.

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Abb. 4: XTRA-GUARD FLEX von Alpha Wire

Diese Kabel sind für hochdynamische Anwendungen mit ständiger Biegebeanspruchung konzipiert. Meine Wahl fiel auf ein abgeschirmtes Kabel mit fünf Leitern (408-895), das mit bis zu sechs Millionen Biegewechselzyklen geprüft wird und Litzenleiter mit einem Querschnitt von lediglich 0,14 mm² (26 AWG) enthält. Das bedeutet, dass der Gesamtdurchmesser des Kabels nur 5,36 mm beträgt. Um das Gewicht zu minimieren, besteht die Abschirmung aus einer Aluminium/Polyester-Folie.

Im Anschluss an die Kabelauswahl ging es darum, passende Steckverbinder zu finden. Richard Browning verwendet zurzeit einen DIN-Steckverbinder mit Schraubkupplung. Aus elektrischer Sicht ist dies zwar völlig ausreichend, die Abmessungen und das Gewicht werden von ihm allerdings als zu groß/hoch empfunden. Außerdem ist die Schraubkupplung alles andere als ein „Schnellverschluss“. Die Steckverbinder sind zudem nur von handelsüblicher Qualität und nicht für wiederholte Steck-/Abziehzyklen ausgelegt. Es musste also eine robustere Konstruktion gefunden werden.

Spezialanwendungen

Seit vielen Jahren werden für diese Art von Spezialanwendungen vorrangig Rundsteckverbinder für Militäranwendungen verwendet. Diese sind nach verschiedensten Normen konzipiert, zeichnen sich aber alle durch Robustheit und Leistungsfähigkeit aus. Sie sind häufig aus Aluminiumlegierung hergestellt, um Gewicht zu sparen und die Eignung für Raumfahrtinstallationen sicherzustellen. Im Laufe der Jahre haben sie ihren Weg in zahlreiche Branchen von der Robotik bis zum Automobilbau gefunden.

Meine ersten Recherchen konzentrierten sich auf nach der Norm MIL-DTL-26482 hergestellte Steckverbinder. Dabei handelt es sich um Steckverbinder mit Bajonettverschluss, die schon eher als „Schnellverschluss“ bezeichnet werden können als der zurzeit verwendete DIN-Steckverbinder. Sie werden auch in exotischen Materialien wie Edelstahl angeboten, aber meist aus Aluminiumlegierung hergestellt, und haben wegen ihres standardisierten Designs den Vorteil, dass sie von einer Vielzahl von Herstellern angeboten werden, z. B. von Souriau (687-6645) , Glenair (019-0156) und Amphenol (540-4902) .

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Abb 5: MIL-DTL 26482-Steckverbinder von Esterline Souriau

Bei genauerer Betrachtung stellte sich heraus, dass fünfpolige Varianten dieses Steckverbinders in einem Gehäuse der Größe 14 montiert werden, was einem Gesamtdurchmesser von fast 30 mm entspricht. Da mir das zu groß erschien, setzte ich meine Suche an anderer Stelle fort.

Im Industriebereich kommt ein vom schweizerischen Hersteller LEMO erfundener Push-Pull-Steckverbinder zum Einsatz. Das sehr kompakte Rastdesign ist sicher in der Verwendung und gleichzeitig sehr gut zum Stecken und Abziehen geeignet. Diese Eigenschaft macht den gesamten Steckverbinder sehr schlank – der Stecker der 0B-Serie hat einen Durchmesser von weniger als 10 mm (433-2351) . Die Steckverbinder sind mit vergoldeten und automatengedrehten Kontakten für die wiederholte Verwendung ausgestattet. Die erwartete Lebensdauer liegt bei mehr als 5.000 Steckzyklen.

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Abb. 6: Push-Pull-Steckverbinder der B-Serie von LEMO

Die B-Serie von LEMO könnte der perfekte Steckverbinder für den Daedalus-Anzug sein – schlank, langlebig, robust und mit Schnellverschluss – hat aber einen Nachteil. Das Gehäuse wird in der Regel aus relativ schwerem verchromtem Messing hergestellt.

Das hätte den Ausschluss dieser Komponente von unserem Projekt bedeuten können, aber LEMO hat bereits entsprechende Vorkehrungen getroffen. Auf der Grundlage der Erfahrungen aus dem Formel-1-Markt hat LEMO die F-Serie entwickelt. Diese Serie kombiniert die Vorteile des Push-Pull-Designs der B-Serie mit einigen der Eigenschaften der Rundsteckverbinder für Militäranwendungen. Die F-Serie verfügt über die gleichen kompakten automatengedrehten Kontakte wie die B-Serie, aber in einem schlanken und kurzen Steckverbindergehäuse aus Aluminiumlegierung zur Gewichtsminimierung.

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Abb 7: Leichte Push-Pull-Steckverbinder der F-Serie von LEMO

Der Steckverbinder der Größe 0F hat einen Durchmesser von lediglich 12 mm und kommt ohne Endgehäuse für die Kabelabstützung aus. Stattdessen ist er mit einer Befestigung für eine Wärmeschrumpftülle versehen.

Wärmeschrumpftüllen

Wärmeschrumpfmaterial ist ein Wunder der modernen Polymertechnologie. Wärmeschrumpftüllen bieten eine elegante Alternative zu herkömmlichen Kabelbefestigungsmethoden. In der Anwendung von Richard Browning hat die Rückseite des 0F-Steckverbinders einen Durchmesser von etwa 9 mm und der Kabeldurchmesser beträgt etwas mehr als 5 mm. Ich wählte daher ein Produkt von HellermannTyton (829-0153) aus, das eine elegante Installation ermöglicht und problemlos in den Ärmel des Fluganzugs passt. Das zusammengesteckte Steckverbinderpaar hat einen Durchmesser von lediglich 12 mm und ist einschließlich der Wärmeschrumpftüllen weniger als 80 mm lang.

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Abb 8: Steckverbinderpaar in Explosionsdarstellung und Darstellung im zusammengebauten Zustand.
Als Komponenten werden Wärmeschrumpftüllen von HellermannTyton (401-04024), jeweils ganz links und rechts,
und die LEMO-Steckverbinder FGN.0F.305.XLC und PHN.0F.305.XLM, Mitte, verwendet.

Dieses Beispiel zeigt anschaulich, dass die Produktauswahl eine Übung im Erkennen Ihrer Anforderungen, in der Konzentration auf diejenigen Anforderungen, die die größten Herausforderungen mit sich bringen oder am wichtigsten sind, und im Finden eines Steckverbinders ist, der den besten Kompromiss bietet. Es mag wie ein komplizierter Prozess scheinen, aber mit einer klaren Vorstellung von Ihren wichtigsten Anforderungen, etwas gesundem Menschenverstand und der durch die RS-Website gebotenen Hilfe können auch Sie die optimale Lösung für Ihre Anwendung finden.

Connector Geek is Dave in real life. After three decades in the industry, Dave still likes talking about connectors almost as much as being a Dad to his two kids. He still loves Lego too. And guitars.
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